直升机相比其他机种，最大的优点就是可以做空中悬停、低空域低速度和头部保持恒向的飞行，尤其是能于狭小受限地形垂直升降。这些特点使其具有广阔的用途及发展前景，无论是在对地攻击、侦察巡逻、反潜扫雷等军用方面，还是在医疗救护、抗险救灾、空中摄影等民用方面，都得到了十足青睐。直升机飞控系统是一类常见的高阶次、多入多出（MIMO）的非线性系统，它不稳定，并且其各个通道之间相互耦合，属于自控界相对棘手的一类被控目标。国内外各厂商研发出来的科研实验或教学用直升机模型由于能够部分模拟真实直升机的飞行状态和特性，是检验各种控制理论和控制算法有效性的有力工具和理想模型。本文以深圳固高科技有限公司生产的GHP2002型三自由度直升机模型为研究对象。主要研究了直升机飞行姿态的稳定控制问题，并对不同控制算法及理论的控制效果进行了分析与比较。首先，比较详细的阐述了3-DOF直升机设备的基本结构及其运行原理。其次，通过刚体动力学分析建立了直升机控制系统各个自由度的近似传递函数模型，进一步推导出系统的状态方程和输出方程，并对系统的稳定性、能控性和能观性进行了分析。再次，根据三个通道的特点，分别为每个通道设计了一个独立的PID调节器进行控制，并对校正后的系统做了MATLAB仿真。然后，介绍了线性二次型最优控制的基本原理，设计了一个LQR控制器，搭建了Simulink仿真模型，对这两种控制算法进行了仿真与比较。最后，这2种控制器的实时控制效果通过三自由度直升机平台得到了验证和比较。MATLAB仿真和实时控制实验验证的相关结果表明：这两种控制算法均有效可行，控制效果良好。但相比传统的PID控制，LQR控制具有更好的动态性能，这主要体现在：响应速度快，超调量小，调整时间短，具有更好的稳定性和鲁棒性。